DE19849462A1 - IR lamp heating for temp. over 1000 degrees C for rear side heating of substrate holders in installations for gas phase epitaxy - Google Patents

IR lamp heating for temp. over 1000 degrees C for rear side heating of substrate holders in installations for gas phase epitaxy

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Abstract

The IR lamp heating with horizontal geometry consists of several halogen lamps, reflector holders, and cooled reflectors surrounding the substrate holder to be heated such that each reflector directs its reflected light field onto the rear face of the substrate holder. The shape of the reflector surface meets specified requirements, under consideration of technical edge conditions, such as min. possible curvature radius, dia. of filament, max. width and depth of aperture. The reflector caught light field is to be directed onto the irradiated face of the substrate holder without over radiation. The angle omega for the light magnitude, reflected on the substrate holder, should attain its max. possible value.

Description

Infrarot-Lampenheizungen werden in Anlagen zur Gasphasenepitaxie zur schnellen Erwärmung der Substrathalter eingesetzt. Sogenannte Hochtemperatur- Epitaxieprozesse (z. B. zur Abscheidung von Siliziumkarbid oder Galliumnitrid) erfordern, daß das Substrat und damit der Substrathalter schnell und wiederholt auf Temperaturen über 1000°C erwärmt und dort stabil gehalten werden kann. Dies setzt voraus, daß eine ausreichend große Wärmeleistung dauerhaft geliefert werden kann. Die nutzbare Leistung einer gegebenen Anordnung von Lampen ist aus folgenden Gründen begrenzt:
Infrared lamp heaters are used in plants for gas phase epitaxy for rapid heating of the substrate holder. So-called high-temperature epitaxy processes (eg for the deposition of silicon carbide or gallium nitride) require that the substrate and thus the substrate holder can be quickly and repeatedly heated to temperatures above 1000 ° C. and kept stable there. This presupposes that a sufficiently large heat output can be delivered permanently. The usable power of a given arrangement of lamps is limited for the following reasons:

  • 1. Die Anzahl der einsetzbaren Lampen ist durch die Forderung nach ausschließlich rückseitiger Beleuchtung des Substrathalters und durch seine relativ kleinen Abmessungen beschränkt.1. The number of lamps that can be used is determined by the requirement exclusively back lighting of the substrate holder and by its relative small dimensions limited.
  • 2. Der Abstand der Lampen zum Substrathalter ist durch mehrere Faktoren, wie z. B. Sicherheitsabstand sowie Breite und Höhe der Reflektorkörper, nach unten begrenzt.2. The distance of the lamps to the substrate holder is determined by several factors, such as e.g. B. safety distance and width and height of the reflector body, down limited.
  • 3. Die Lebensdauer der Halogenlampen hängt extrem empfindlich von der beanspruchten Leistung ab (Produktkatalog: Quartz Infrared Lamps, Research Inc., 6425 Flying Cloud Drive, Eden Prairie, MN 55344-3385, USA)
    3. The lifespan of halogen lamps is extremely sensitive to the power demanded (product catalog: Quartz Infrared Lamps, Research Inc., 6425 Flying Cloud Drive, Eden Prairie, MN 55344-3385, USA)

Deshalb kann die empfohlene Arbeitsspannung und damit die Nennleistung der Lampen nur um wenige Prozent überschritten werden.Therefore, the recommended working voltage and thus the nominal power of the Lamps are only exceeded by a few percent.

Die üblichen, nicht optimierten Heizkonstruktionen aus Infrarot-Halogenstablampen haben weitere, nachfolgend aufgezählte Nachteile:
The usual, non-optimized heating structures made of infrared halogen lamps have further disadvantages, listed below:

  • 1. Alle eingesetzten Reflektoren sind nicht jeweils so konstruiert, daß sie Überstrahlungsverluste bei der Abbildung des Lichtfeldes der Lampe auf die Substrathalterfläche minimieren.1. All reflectors used are not designed so that they Overexposure losses when imaging the light field of the lamp on the Minimize substrate holder area.
  • 2. Der bei derart hohen Temperaturen entstehende Wärmestau in der Umgebung der Lampen führt zu einer Degradation des Halogenprozesses der Lampen und zur drastischen Verringerung ihrer Lebensdauer. Oft beobachtetes Phänomen ist ein Aufweichen des Glaskörpers, der zum vorzeitigen Funktionsausfall führt. Von den Lampenherstellern werden sogenannte Hochtemperatur-Halogenstablampen angeboten, deren Enden in einer temperaturbeständigeren Fassung ausgearbeitet sind. Damit wird zwar die Gefahr des Schutzgasaustritts, der ebenfalls zum Funktionsausfall der Halogenlampe führt, vermindert, da die Bildung von Lecks gehemmt wird, jedoch ist das Problem der Überhitzung des Glaskörpers durch die hohe Umgebungstemperatur damit nicht zu lösen. Hinzu kommt, daß Beschaffungs- und Wartungsaufwand (Lampenwechsel) solcher Lampen erheblich größer als für Standard-Halogenstablampen sind.2. The heat build-up in the area at such high temperatures of the lamps leads to a degradation of the halogen process of the lamps and to drastically reducing their lifespan. Often observed phenomenon is one Softening of the vitreous body, which leads to premature failure. Of the Lamp manufacturers become so-called high-temperature halogen lamps offered, the ends of which are worked out in a temperature-resistant version. This does indeed increase the risk of inert gas escaping, which Functional failure of the halogen lamp leads to reduced formation of leaks is inhibited, however, the problem of the overheating of the vitreous body high ambient temperature cannot be solved. In addition, procurement and maintenance (lamp replacement) of such lamps is significantly greater than for Standard halogen flashlights are.
  • 3. Die Reflektoren werden üblicherweise aus Aluminium gefertigt, da Aluminium kostengünstig ist. Der Spektralbereich der charakteristischen Temperaturstrahlung der Halogenlampen liegt etwa im Bereich von 0,8-2,0 µm Wellenlänge, wobei das Intensitätsmaximum typischerweise im kurzwelligen Anteil liegt. Der Reflexionsgrad von Aluminium im kurzwelligen Spektralbereich (≦1,3 µm) ist aber kleiner als 90%, während z. B. Gold und Silber einen Reflexionsgrad von ∼95% bzw. ∼98% besitzen (Landoldt-Börnstein, Neue Serie, Springer-Verlag, Bd. III/15b, 1985). Weiterhin ist Aluminium nicht chemisch inert, sondern korrodiert an Luft. Diese Korrosion nimmt bei hohen Temperaturen stark zu und führt zu einer Erblindung und damit zu einer weiteren Effizienzverringerung der Reflektoren.3. The reflectors are usually made of aluminum, since aluminum is inexpensive. The spectral range of the characteristic temperature radiation of the Halogen lamps are in the range of 0.8-2.0 µm wavelength, whereby the Intensity maximum is typically in the short-wave portion. The reflectance of aluminum in the short-wave spectral range (≦ 1.3 µm) is less than 90%, while e.g. B. Gold and silver have a reflectance of ∼95% and ∼98% (Landoldt-Börnstein, Neue Serie, Springer-Verlag, Vol. III / 15b, 1985). Still is Aluminum is not chemically inert, but corrodes in air. This corrosion is increasing at high temperatures and leads to blindness and thus to further efficiency reduction of the reflectors.

Das technische Problem, das den Ansprüchen 1-4 zugrunde liegt, besteht in der Aufgabe, für eine gegebene horizontale Anordnung von Halogenstablampen zur rückseitigen Bestrahlung von Substrathaltern in Anlagen zur Gasphasenepitaxie die Verlustleistung durch Überstrahlung und die thermische Belastung der Halogenlampen so zu verringern, daß der Substrathalter schnell (<10 Min.) und dauerhaft (<10 h) auf Temperaturen <1000°C erhitzt werden kann.The technical problem underlying claims 1-4 is Task, for a given horizontal arrangement of halogen lamps back irradiation of substrate holders in plants for gas phase epitaxy Power loss due to overexposure and the thermal load on the  Reduce halogen lamps so that the substrate holder quickly (<10 min.) And can be heated permanently (<10 h) to temperatures <1000 ° C.

Dieses Problem wird gelöst durch die Formung der Reflektoren gemäß Anspruch 1, die zu einer optimalen Ausnutzung der Lichtfelder der Lampen führt. Die verbleibende Überstrahlungsleistung resultiert nur aus dem Lichtfeld der Lampe, das nicht vom Reflektor erfaßt, aber in einem größeren Winkel als dem Aperturwinkel der beleuchtbaren Fläche des Substrathalters abgestrahlt wird. Die Effizienzsteigerung führt einerseits zur erforderlichen Wärmeleistung, um den Substrathalter zu erwärmen, und andererseits in passiver Weise - durch die verminderte notwendige Leistungsaufnahme jeder einzelnen Lampe - auch zu einer Absenkung der thermischen Belastung.This problem is solved by the shaping of the reflectors according to claim 1, which leads to optimal utilization the light fields of the lamps. The remaining overexposure power results only from the light field of the lamp, which is not detected by the reflector, but in one greater angle than the aperture angle of the illuminable surface of the substrate holder is emitted. The increase in efficiency leads on the one hand to the necessary Heat output to heat the substrate holder, and on the other hand in passive Way - by the reduced necessary power consumption of each individual lamp - also to lower the thermal load.

Schutzanspruch 2 stellt eine weitere Effizienzsteigerung der Anordnung dar, da
Protection claim 2 represents a further increase in efficiency of the arrangement, since

  • a) die Reflektivität der Spiegel erhöht wird unda) the reflectivity of the mirror is increased and
  • b) die Spiegel dauerhaft gegen Erblindung durch Korrosion geschützt werden.b) the mirrors are permanently protected against blindness due to corrosion.

Die im Schutzanspruch 3 beschriebene Luftkühlung ist eine Ausführung des Heizers, der eine aktive Reduktion der unmittelbaren Umgebungstemperatur der Lampen ermöglicht, da sowohl die Lampenfassung als auch der Lampenkörper durch einen steten Luftstrom gekühlt werden können.The air cooling described in protection claim 3 is an embodiment of the heater, which is an active reduction in the immediate ambient temperature of the lamps enables because both the lamp holder and the lamp body by a constant air flow can be cooled.

In Schutzanspruch 4 wird eine weitere spezielle Ausführung eines nach Anspruch 1-3 konstruierten Infrarot-Strahlungsheizers mit kostengünstigen Standard- Halogenstablampen angegeben. Im Gegensatz zu speziellen Hochtemperatur- Halogenstablampen, die sehr teuer sind und einen relativ komplizierten elektrischen Anschluß haben, sind die Standard-Halogenlampen um einen Faktor 20-40 billiger und darüber hinaus in einfacher Weise durch eine Steckverbindung elektrisch kontaktierbar. Dadurch verringern sich die laufenden Kosten für die Wartung der Heizung erheblich. In protection claim 4, a further special embodiment of one according to claims 1-3 constructed infrared radiant heater with inexpensive standard Halogen lamp specified. In contrast to special high temperature Halogen flashlights, which are very expensive and have a relatively complicated electrical one Standard halogen lamps are cheaper by a factor of 20-40 and moreover in a simple manner electrically by means of a plug connection contactable. This reduces the ongoing maintenance costs Heating considerably.  

AusführungsbeispielEmbodiment

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die technische Veränderung eines Infrarot-Heizsystems zur Erwärmung eines Substrathalters, welches häufig in Anlagen zur Gasphasenepitaxie von Halbleitermaterialien eingesetzt wird. Aufgrund der physikalischen und chemischen Gegebenheiten des Epitaxieprozesses darf der Substrathalter nicht auf der Oberseite mit Licht bestrahlt werden.The following description refers to the technical change of a Infrared heating system for heating a substrate holder, which is often used in systems is used for gas phase epitaxy of semiconductor materials. Due to the The physical and chemical conditions of the epitaxial process may Substrate holder should not be exposed to light on the top.

Die prinzipielle Anordnung der Lampen L und Reflektoren R zeigt Abb. 1. Ihre Längsachsen sind parallel zur Längsachse des Substrathalters S orientiert und bogenförmig um den Substrathalter herum angeordnet. Der Quarzglasmantel Q (Reaktorrohr) ist üblicher Bestandteil solcher Anlagen und dient dem Einschluß der teilweise giftigen oder brennbaren Prozeßgase.The basic arrangement of the lamps L and reflectors R is shown in Fig. 1. Their longitudinal axes are oriented parallel to the longitudinal axis of the substrate holder S and are arranged in an arc around the substrate holder. The quartz glass jacket Q (reactor tube) is a common component of such systems and serves to contain the partially toxic or flammable process gases.

Für einen Substrathalter für Substrate mit 2" Durchmesser besteht der Heizer z. B. aus 6 Einzelelementen. Jedes Einzelelement (s. Abb. 2) besteht aus einer Halogenstablampe (8), die sich innerhalb einer Kombination aus 2 Reflektorhalterungen (2) und einem beschichteten Aluminium-Reflektor (1) befindet. Die Anschlüsse (5) für die Luftkühlung entsprechend der Ausführung nach Anspruch 3 befinden sich an der Unterseite der Reflektorhalterungen (2), und der Luftaustritt (angedeutet durch die Pfeile) kann nur an der Öffnung für die Halogenlampe in den Reflektorhalterungen (2) erfolgen. Jede Reflektorhalterung besitzt an ihren äußeren Enden eine abnehmbare Verschlußplatte (3), in welche die Lampenhalterung (4) und der elektrische Anschluß (9) integriert sind. Jeder Reflektor besitzt einen Wasserein- (6) und -ausgang (7) an seiner Unterseite, welche durch horizontale Bohrungen im Reflektorkörper (1) miteinander verbunden sind.For a substrate holder for substrates with a diameter of 2 ", the heater consists of 6 individual elements, for example. Each individual element (see Fig. 2) consists of a halogen lamp ( 8 ), which can be combined within a combination of 2 reflector holders ( 2 ) and one coated aluminum reflector (1). the connections (5) for air cooling according to the embodiment of claim 3 are located on the underside of the reflector holder (2), and the air flow (indicated by arrows) only at the opening for the Halogen lamp in the reflector holders ( 2 ) Each reflector holder has at its outer ends a removable closure plate ( 3 ) into which the lamp holder ( 4 ) and the electrical connection ( 9 ) are integrated. Each reflector has a water inlet ( 6 ) and -Outlet ( 7 ) on its underside, which are connected to one another by horizontal bores in the reflector body ( 1 ).

Die Anordnung der Einzelelemente (s. Abb. 3) erfolgt in starrer Weise über Querstreben (10) auf einem gemeinsamen Bügel (B). Die Reflektorformen entsprechen im Querschnitt (Zeichenebene in Abb. 3) einer Ellipse. Elliptische Reflektoren stellen hier die optimale Form dar, da sie für die gegebene Geometrie des Substrathalters, die begrenzt wählbaren Reflektorabmessungen und den minimal zulässigen Abstand zwischen dem Glaskörper der Halogenlampe G und der Reflektoroberfläche den maximal möglichen Nutzwinkel Ω (s. Abb. 4) erzielen. Der Nutzwinkel Ω wird dabei durch die Lichtstrahlen K1, K2 vom Zentrum der Glühwendel zur Reflektorkante gebildet und schließt die Reflektoroberfläche ein (s. Abb. 4).The individual elements (see Fig. 3) are arranged in a rigid manner via cross struts ( 10 ) on a common bracket (B). The cross-section of the reflector shapes (drawing plane in Fig. 3) corresponds to an ellipse. Elliptical reflectors represent the optimal shape here because they achieve the maximum possible useful angle Ω for the given geometry of the substrate holder, the selectable reflector dimensions and the minimum permissible distance between the glass body of the halogen lamp G and the reflector surface (see Fig. 4). The useful angle Ω is formed by the light rays K 1 , K 2 from the center of the filament to the reflector edge and encloses the reflector surface (see Fig. 4).

Die jeweiligen Ellipsenparameter sind so gewählt, daß das Lichtfeld der Reflektoren auf der Substrathalterunterseite mit wachsendem Abstand von der Symmetrieebene enger wird. Die jeweilige Form entsprechend Schutzanspruch 1 wird dadurch gefunden, daß man für alle den technischen Randbedingungen genügenden Formen das reflektierte Lichtfeld unter Berücksichtigung des Durchmessers der Glühwendel berechnet. Dies geschieht, indem durch gewisse Punkte P auf der Reflektorfläche F die beiden Tangenten T1, T2 an den Umkreis U der Glühwendel und sodann deren Reflexionen R1, R2 am Reflektor F konstruiert werden (s. Abb. 4). Die Schnittpunkte der reflektierten Strahlen R1, R2 mit der Substrathalteroberfläche S (Unterseite des Substrathalters) charakterisieren die Lichtverteilung auf dessen Unterseite. Mit einer repräsentativen Menge von Punkten P auf der Reflektorfläche F läßt sich so das gesamte Lichtfeld darstellen. Unter allen Formen, deren Reflexstrahlen alle den Substrathalter treffen, wird iterativ diejenige gesucht, für die Ω maximal ist.The respective ellipse parameters are selected so that the light field of the reflectors on the underside of the substrate holder becomes narrower with increasing distance from the plane of symmetry. The respective shape according to protection claim 1 is found by calculating the reflected light field for all shapes satisfying the technical boundary conditions, taking into account the diameter of the filament. This is done by constructing the two tangents T 1 , T 2 at the circumference U of the filament and then their reflections R 1 , R 2 on the reflector F by means of certain points P on the reflector surface F (see FIG. 4). The points of intersection of the reflected rays R 1 , R 2 with the substrate holder surface S (underside of the substrate holder) characterize the light distribution on its underside. The entire light field can thus be represented with a representative set of points P on the reflector surface F. Among all forms whose reflected rays all hit the substrate holder, the one for which Ω is maximum is searched iteratively.

Die Beschichtung der Reflektoren entsprechend der Ausführung nach Anspruch 2 ist durch eine Gold-Schicht realisiert, die die Reflektivität der Spiegelfläche im kurzwelligen Spektralbereich der Wärmestrahlung (λ<1,3 µm) von <90% (für Aluminium) auf ∼94% steigert und durch ihre chemische Stabilität gegenüber Luft einen vollkommenen Korrosionsschutz darstellt. Eine weitere Reflexerhöhung läßt sich durch Aufbringung einer dielektrischen, transparenten, chemisch und thermisch stabilen Schicht erreichen, deren optische Dicke gleich dem Viertel der Wellenlänge im Intensitätsmaximum der Wärmestrahlung entspricht (sog. λ/4-Schicht).The coating of the reflectors is in accordance with the embodiment according to claim 2 realized by a gold layer that the reflectivity of the mirror surface in short-wave spectral range of thermal radiation (λ <1.3 µm) of <90% (for Aluminum) to ∼94% and due to its chemical stability to air provides complete protection against corrosion. A further increase in reflex leaves yourself by applying a dielectric, transparent, chemical and thermal reach stable layer whose optical thickness is equal to a quarter of the wavelength corresponds to the maximum of the heat radiation (so-called λ / 4 layer).

Die Ausführung des Heizers mit Standard-Halogenlampen entsprechend Anspruch 4 erfordert lediglich den Einbau entsprechender Standard-Lampenhalterungen in die Verschlußplatte.The execution of the heater with standard halogen lamps according to claim 4 only requires the installation of appropriate standard lamp holders in the Locking plate.

Die in diesem Beispiel beschriebene Konstruktion schließt ausdrücklich nicht aus, daß für andere Substrathaltergeometrien modifizierte Reflektorformen gefunden werden müssen oder können, um die geforderten Bedingungen zu erfüllen.The construction described in this example expressly does not exclude that found modified reflector shapes for other substrate holder geometries must or can be in order to meet the required conditions.

Claims (4)

1. Infrarot-Lampenheizung zur rückseitigen Erwärmung von Substrathaltern auf Temperaturen <1000°C in Anlagen zur Gasphasenepitaxie mit horizontaler Geometrie, bestehend aus mehreren Halogenstablampen, Reflektorhalterungen und gekühlten Reflektoren, die längs um den zu erhitzenden Substrathalter herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Reflektor das von ihm reflektierte Lichtfeld auf die rückseitige Oberfläche des Substrathalters abbildet, wobei die Form der reflektierenden Fläche unter Berücksichtigung der technischen Randbedingungen (wie z. B. minimal möglicher Krümmungsradius, Durchmesser der Glühwendel, maximale Breite und Tiefe der Öffnung) folgenden Forderungen genügt:
  • - Das vom Reflektor erfaßte Lichtfeld wird ohne Überstrahlung auf die von der jeweiligen Lampenposition aus beleuchtbare Fläche des Substrathalters gerichtet.
  • - Das Winkelmaß Ω (s. Abb. 4 und Text S. 6) für die auf den Substrathalter abgebildete Lichtmenge erreicht seinen größtmöglichen Wert.
1. Infrared lamp heating for the rear heating of substrate holders to temperatures <1000 ° C in plants for gas phase epitaxy with horizontal geometry, consisting of several halogen lamps, reflector holders and cooled reflectors, which are arranged lengthways around the substrate holder to be heated, characterized in that
that each reflector images the light field it reflects on the rear surface of the substrate holder, the shape of the reflecting surface taking into account the technical boundary conditions (such as the minimum possible radius of curvature, diameter of the filament, maximum width and depth of the opening) following requirements enough:
  • - The light field detected by the reflector is directed onto the surface of the substrate holder which can be illuminated from the respective lamp position without overexposure.
  • - The angular dimension Ω (see Fig. 4 and text p. 6) for the amount of light imaged on the substrate holder reaches its greatest possible value.
2. Infrarot-Lampenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Fläche der Reflektoren gegen Korrosion durch eine chemisch inerte, thermisch stabile und reflexerhöhende Schicht geschützt ist.2. Infrared lamp heater according to claim 1, characterized in that the reflective surface of the reflectors is protected against corrosion by a chemical inert, thermally stable and reflex-enhancing layer is protected. 3. Infrarot-Lampenheizung zur rückseitigen Erwärmung von Substrathaltern auf Temperaturen <1000°C in Anlagen zur Gasphasenepitaxie mit horizontaler Geometrie, bestehend aus mehreren Halogenstablampen, Reflektorhalterungen und gekühlten Reflektoren, die längs um den zu erhitzenden Substrathalter herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorhalterung mit einem Anschluß zur Luftkühlung versehen ist, und daß der Luft-Austritt in Richtung des Glaskörpers der Halogen-Lampe erfolgen kann, so daß der Lampenkörper stetig gekühlt wird.3. Infrared lamp heater for the rear heating of substrate holders Temperatures <1000 ° C in plants for gas phase epitaxy with horizontal Geometry, consisting of several halogen lamps, reflector brackets and cooled reflectors that run lengthways around the substrate holder to be heated are arranged, characterized in  that the reflector holder is provided with a connection for air cooling, and that the air exit in the direction of the vitreous body of the halogen lamp can, so that the lamp body is constantly cooled. 4. Infrarot-Lampenheizung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenhalterung selbstjustierend und durch mechanischen Druck in Längsrichtung der Stablampen für die Befestigung von Standard- Halogenstablampen sorgt.4. Infrared lamp heater according to claims 1-3, characterized in that the lamp holder self-adjusting and by mechanical pressure in Longitudinal direction of the flashlights for the attachment of standard Halogen flashlights ensures.
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